FI111397B

FI111397B - Menetelmä ja laite kemikaalin syöttämiseksi kuitususpensioon

Info

Publication number: FI111397B
Application number: FI20012447A
Authority: FI
Inventors: Hannu Lepomaeki; Juhani Sams
Original assignee: Metso Paper Inc
Priority date: 2001-12-12
Filing date: 2001-12-12
Publication date: 2003-07-15
Also published as: US6841040B2; DE10255842A1; FI20012447A0; US20030106661A1

Description

111397

Menetelmä ja laite kemikaalin syöttämiseksi kuitususpensioon Förfarande och anläggning för att mata kemikalier tili en fibersuspension 5 Keksinnön kohteena on menetelmä kemikaalin syöttämiseksi kuitususpensioon paperikoneen lyhyessä kierrossa. Keksintö koskee myös laitetta kemikaalin syöttämiseksi kuitususpensioon paperikoneen lyhyessä kierrossa.

Paperi tai kartonki on kuiduista, hienoaineesta ja erilaisista lisäaineista koostuva 10 seos. Osa paperin komponenteista sekoitetaan toisiinsa jo massanvalmistusosas-tolla, mutta osa kemikaaleista lisätään valmiiseen massaseokseen vasta lyhyessä kierrossa vähän ennen massan syöttöä perälaatikkoon.

Paperin tai kartongin ominaisuuksien kannalta on erittäin tärkeää, että kaikki raa-15 ka-ainekomponentit ovat sekoittuneina mahdollisimman homogeeniseksi seokseksi rainaa muodostettaessa. Tämä edellyttää tehokasta kemikaalien syöttöjäqestel-mää paperikoneen lyhyessä kierrossa. Erityisen tärkeää on kemikaalien hyvä sekoittuminen koko massatilavuuteen. Esimerkiksi retentioaineet, joita käytetään hienoaineen retention parantamiseksi viiraosalla, on sekoitettava massaan mah-20 dollisimman tasaisesti maksimaalisen tehon saavuttamiseksi ja paperin ominaisuuksien vaihtelun välttämiseksi. Retentioaineet syötetään tavallisesti ennen leikkausjännityksiä virtauksessa synnyttäviä laitteita kuten pumppua, sihtiä tai pyör-repuhdistimia. Kemikaalit syötetään usein putkeen syöttörenkaan avulla. Ongelmana on saada kemikaali sekoittumaan tasaisesti tulppavirtaukseen. Voidaan 25 myös käyttää putken sisään ristikkäin asennettuja rakosuuttimia. Tämän ratkaisun ongelmia ovat suuri likaantumisriski ja huono sekoittuvuus.

i ·

Yleistäen voidaan todeta, että homogeeninen seos saadaan helpoimmin aikaan, kun sekoitustilavuus on pieni ja sekoittumista tehostava turbulenssi riittävän voi-30 makasta. Paperin- ja kartonginvalmistusprosesseissa on pyritty hyödyntämään virtauksessa turbulenssia synnyttäviä laitteita annostelemalla kemikaalikom- 2 111397 ponentteja ennen sihtiä tai pumppua. Sihdin tai pumpun roottorin lapojen pyöriessä nopeasti syntyy erittäin voimakkaita leikkauskenttiä, jotka saavat aikaan turbulenssia. Käytännössä näin syntyneet leikkauskentät voivat olla jopa liian voimakkaita aiheuttaen polymeeriketjujen katkeamista, jolloin polymeerien toiminta 5 retentioaineena heikkenee.

Keksinnön päämääränä on saada aikaan kemikaalien tasainen jakautuminen kui-tususpensioon, jolloin tuloksena on homogeeninen seos. Keksinnön eräänä lisätavoitteena on suorittaa kemikaalien syöttö niin hellävaraisesti, että polymeeriketjut 10 eivät katkeile.

Edellä esitettyihin ja myöhemmin selviäviin päämääriin pääsemiseksi keksinnön mukaiselle menetelmälle on tunnusomaista se, mitä on esitetty patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa. Vastaavasti keksinnön mukaiselle laitteelle on tunnus-15 omaista se, mitä on esitetty patenttivaatimuksen 4 tunnusmerkkiosassa.

Kuitususpensiolla on tyypillisesti taipumus flokkaantua, mikä haittaa oleellisesti kemikaalien optimaalista sekoittamista. Flokkirakenne saadaan rikotuksi tuottamalla virtaukseen riittävästi turbulenssia. Eräs edullinen tapa fluidisoida kuitusus-20 pensio on tuottaa siihen turbulenssia virtauskanavan porrasmaisessa laajennusosassa. Tämäntyyppistä ratkaisua käytetään esimerkiksi perälaatikon turbu-lenssigeneraattorissa. Virtausputken äkillinen laajentuminen synnyttää virtauksessa paluupyörteen, jonka rajapinnoissa on voimakas leikkauskenttä, joka tuottaa huomattavaa turbulenssia. Paluupyörre ulottuu stagnaatiopisteeseen asti, jonka 25 jälkeen turbulenssin tuotto vähitellen vaimenee. Voimakas turbulenssi rikkoo kuitususpension flokkeja ja johtaa virtauksen fluidisoitumiseen. Jotta fluidisoitu-.' minen olisi mahdollisimman tehokasta, tulee varmistaa, että paluupyörteen muo dostumiselle on kaikissa prosessiolosuhteissa riittävästi tilaa.

30 Keksinnön mukaisessa menetelmässä kuitususpensiovirtaus fluidisoidaan johtamalla se pyörähdyssymmetriseen putkilaajentumaan, jossa ensimmäinen putki 3 111397 porrasmaisesti laajenee toiseksi putkeksi, ja kemikaalivirtaus syötetään kuitusus-pensioon putkilaajentuman yhteydessä. Kemikaalivirtaus voidaan syöttää toiseen putkeen laajennusporrasta seuraavalla ideaalisen sekoittumisen alueella tai ensimmäiseen putkeen niin lähellä laajennusporrasta, että kemikaali ei ennätä rea-5 goida ennen joutumistaan laajennusportaan virtauksessa synnyttämään paluu-pyörteeseen. Syöttö tapahtuu laajennusportaassa tai putken kehällä olevien injek-tioreikien tai -putkien kautta, jotka on sijoitettu symmetrisesti putken eri puolille.

Syöttökohtia voi myös olla useita peräkkäin.

10 Pyörähdyssymmetrisessä virtauskanavan laajentumassa tuotetun leikkauskentän voimakkuus on riittävän suuri saamaan aikaan kemikaalien sekoittumiselle optimaaliset olosuhteet, mutta leikkausjännitykset ovat kuitenkin huomattavasti hellävaraisempia kuin esimerkiksi pumpun tai sihdin lapojen aiheuttamassa leikkaus-kentässä. Optimaalinen tapa sekoittaa kemikaalit kuitususpension koko tilavuu-15 teen on siis annostella eri komponentit putkilaajentumaan niin, että ne ohjautuvat laajennuksen jälkeen muodostuvan paluupyörteen rajapintaan ja siten riittävän voimakkaaseen mutta kuitenkin polymeerien molekyyliketjun ehjänä säilyttävään leikkauskenttään. Kemikaalien annostelu voidaan toteuttaa joko yhdessä tai useammassa peräkkäisessä putken laajennuskohdassa.

20

Keksinnön mukaisella ratkaisulla pystytään pienentämään kemikaalien syöttömää-riä tasaisemman kemikaalien jaon vuoksi, jolloin saavutetaan kustannussäästöjä.

Seuraavassa keksintöä selostetaan viittaamalla oheisten piirustusten kuvioihin, 25 joiden yksityiskohtiin keksintöä ei kuitenkaan ole tarkoitus ahtaasti rajoittaa.

, . _ Kuvio IA esittää kaaviollisesti putkilaajennuksen vaikutusta virtauksen käyttäy tymiseen.

30 Kuvio IB havainnollistaa kuitususpension flokkisuutta kuvion IA kohdassa B.

i 4 111397

Kuvio 1C havainnollistaa kuitususpension flokkisuutta kuvion IA kohdassa C.

Kuvio ID havainnollistaa kuitususpension flokkisuutta kuvion IA kohdassa D.

5 Kuvio 2 esittää kemikaalien syötön putkilaajennukseen laajennusportaan kautta.

Kuvio 3 esittää kaksi vaihtoehtoista kemikaalien annostelupositioita putkilaaj ennuksen yhteydessä.

10 Kuvio 4 esittää vaihtoehtoisen kemikaalien annosteluposition välittömästi ennen putkilaaj ennusta.

Kuvio 5 esittää kemikaalien syötön laajennusportaaseen liitetyn syöttölaipan kautta.

15

Kuvio 6 esittää kemikaalien syötön laajennusportaaseen liitettyjen syöttöletkujen kautta.

Kuvioihin IA - ID viitaten tarkastellaan aluksi virtauskanavan poikkipinta-alan 20 porrasmaisen laajenemisen vaikutusta kuitususpensiovirtaukseen. Kuitususpensio virtaa nuolien osoittamaan suuntaan ensimmäisessä putkessa 1 ja laajennusportaan ' 3 jälkeen virtaus jatkuu toisessa putkessa 2, joka on sama-akselinen ensimmäisen putken 1 kanssa. Laajennusporras 3 on putkien 1 ja 2 aksiaalisuuntaan nähden kohtisuora rengaslaippa, jonka sisähalkaisija vastaa ensimmäisen putken 1 hal-25 kaisijaa Di ja ulkohalkaisija vastaa toisen putken 2 halkaisijaa D2. Laajennuspor-rasta 3 edeltävän ja sitä seuraavan putkiosuuden halkaisijoiden Di ja D2 suhde on edullisesti D2 / Di = 1,1.. .5,0. Keksinnön mukaisessa ratkaisussa laajennusportaan 3 korkeus h = (D2 - Di)/2 on edullisesti vähintään 50 mm, kun putken halkaisija on 500 mm. Laajennusportaan 3 korkeus h pitää olla joka tapauksessa suurempi 30 kuin kuidun pituus eli vähintään 2 mm.

5 111397

Virtauspoikkipinta-alan laajeneminen saa virtauksessa aikaan paluupyörteen E, jonka rajakerroksissa on suuria leikkausjännityksiä. Ne synnyttävät virtauksessa turbulenssia, joka on riittävän voimakasta rikkomaan flokkeja ja siten saa aikaan virtauksen fluidisoitumisen. Kuitususpensiovirtauksen fluidisoituessa sen vir-5 tausominaisuudet muuttuvat veden virtausominaisuuksien kaltaisiksi, jolloin mo-nifaasivirtaus alkaa käyttäytyä yksifaasivirtauksen tavoin.

Kuvilla IB - ID on havainnollistettu kuitususpension flokkisuutta ennen laajennu-sporrasta 3 kohdassa B, heti paluupyörteen E päättymiskohdan eli stagnaatiopis-10 teen S j älkeen kohdassa C j a lyhyen uudelleenflokkaantumisaj an j älkeen kohdassa D. Ennen laajennusporrasta 3 flokit ovat suuria (kuvio IB) ja virtaus etenee tulp-pavirtauksena. Paluupyörteen E stagnaatiopisteen S jälkeen flokkien koko on pieni ja ne jakaantuvat tasaisesti (kuvio 1C). Turbulenssi pitää virtauksen tehokkaasti sekoittuneena. Mitä kauemmaksi laajennusportaasta 3 edetään, sitä voimakkaam-15 pana näkyy flokkien uudelleenmuodostuminen (kuvio ID).

Laajennusporrasta 3 seuraa siis turbulenttisen ja hyvin fluidisoituneen virtauksen alue, joka ulottuu virtaussuunnassa jonkin verran stagnaatiopistettä S pitemmälle ja jota nimitetään ideaalisen sekoittumisen vyöhykkeeksi. Tämän ideaalisen se-20 koittumisen vyöhykkeen pituus L riippuu muun muassa laajennusportaan 3 korkeudesta h, kuitususpension sakeudesta ja kuitujen keskipituudesta. Ideaalisen sekoittumisen vyöhykkeen pituus L on yleensä suuruusluokkaa 20 - 50 kertaa laajennusportaan korkeus h.

25 Jotta syötettävä kemikaali sekoittuisi kuitususpensioon tasaisesti, se tulee lisätä virtaukseen sellaisessa vaiheessa, jossa virtaus on hyvin fluidisoitunutta. Tällöin « , . . kuitususpension flokkisuus on vähäistä ja turbulenssi on riittävän voimakasta ta kaamaan kemikaalin sekoittumisen, mutta ei niin rajua, että se katkoisi kemikaalin polymeeriketjuja. Kuvioissa 2 - 4 on esitetty erilaisia positioita putkilaajennuksen 30 yhteydessä, joihin kemikaalilisäys voidaan syöttää tasaisen ja tehokkaan sekoittumisen aikaansaamiseksi.

6 111397

Kuviossa 2 on eräs keksinnön mukainen järjestely kemikaalien syöttämiseksi kuitususpensioon. Kemikaalivirtaus Fi tuodaan laajennusportaaseen 3 päävirtauk-sen suuntaisena lähellä kohtaa, jossa päävirtaus purkautuu ensimmäisestä putkesta 5 1 toiseen putkeen 2. Putken laajennuskohtaan syötettävä kemikaalivirtaus Ft suunnataan paluupyörteeseen E siten, että se ohjautuu paluupyörteen ja päävirta-uksen väliseen rajapintaan. Paluupyörteen E synnyttämä turbulenssi rikkoo kui-tususpensiossa olevia flokkeja ja samalla turbulenssi saa aikaan kemikaalin tasaisen sekoittumisen kuitususpensiovirtaukseen. Käytännössä kemikaalin syöttö ιοί 0 teutetaan laajennusportaaseen 3 symmetrisesti sovitettujen injektioreikien tai -putkien kautta, joita kuviossa ei ole yksityiskohtaisesti esitetty.

Kuviossa 3 on esitetty kaksi vaihtoehtoista kemikaalien annostelupositiota, joista ensimmäisessä kemikaalivirtaus F2 on suunnattu viistosti keskelle paluupyörrettä 15 E ja toisessa kemikaalivirtaus F3 on kohdistettu sellaiseen stagnaatiopistettä S seuraavaan virtauksen kohtaan, jossa kuitususpensio on vielä hyvin sekoittunutta.

Kuviossa 4 kemikaalivirtaus F4 syötetään kuitususpensiovirtaukseen ensimmäisessä putkessa 1 välittömästi ennen laajennusporrasta 3. Annostelukohdan tulee 20 olla niin lähellä laajennuskohtaa, että syötettävä kemikaali ei ehdi reagoida tai kiinnittyä kuituihin ennen putkilaajentumassa tapahtuvaa virtauksen tehokasta sekoittumista.

Kuvioissa 5 ja 6 on esitetty kaksi vaihtoehtoista keksinnön toteutusmuotoa, joissa 25 kemikaalien syöttö on järjestetty perälaatikkoa edeltävän konesihdin akseptilaipan 13 yhteyteen, jolloin virtauksen kuristusputki 11 on asennettu suoraan sihtiin (ei esitetty). Akseptilaippaan 13 on tehty joukko injektioreikiä 14, joiden kautta kemikaalivirtaus syötetään kuitususpensio virtauksen joukkoon yhdensuuntaisena kuristusputkesta 11 purkautuvan päävirtauksen kanssa. Injektioreiät 14 ympäröi-30 vät symmetrisesti putken 11 tuloaukkoa. Putkien 11 ja 12 akselit yhtyvät, jolloin virtauskanava laajenee portaan 3 kohdalla pyörähdyssymmetrisesti.

7 111397

Kuviossa 6 kemikaalilisäys tuodaan letkujen 19 kautta suoraan akseptilaipassa 13 oleviin injektioreikiin 14.

5 Kuvion 5 esimerkissä akseptilaippaan 13 on liitetty kemikaalien syöttölaippa 15, johon kuuluu yksi tai useampia syöttöuria 16, joista kemikaali purkautuu injek-tioreikien 14 kautta putkeen 12. Kemikaalien syöttöurat 16 voidaan toteuttaa samantyyppisenä ratkaisuna kuin laimennusperälaatikoissa laimennusveden syöttöön käytettävät urat. Syöttölaipan 15 uriin 16 kemikaalivirtaus tuodaan venttii-10 Iillä 18 varustetun putki linjan 17 kautta.

Keksinnön mukaista kemikaalien syötön periaatetta, jossa hyödynnetään pyöräh-dyssymmetrisen putkilaajentuman virtauksessa aikaansaamaa maksimaalista leik-kauskenttää, voidaan soveltaa paperinvalmistusprosessin eri vaiheissa. Menetelmä 15 toimii esitetyllä tavalla annosteltaessa niin isoja kuin pieniä kemikaalimääriä ja se soveltuu kaikkien lyhyessä kierrossa paperimassaan lisättävien kemikaalien ja lisäaineiden annosteluun. Lisättävän kemikaalin olomuoto voi olla kaasumainen, nestemäinen tai kiinteä tai se voi olla näiden seos.

« «

Claims

111397

1. Menetelmä kemikaalin syöttämiseksi kuitususpensioon paperikoneen lyhyessä kierrossa, tunnettu siitä, että kemikaalivirtaus (Fi; F2; F3; F4) syötetään kuitusus- 5 pensiovirtaukseen putkilaajentuman yhteydessä, joka käsittää ensimmäisen putken (1) ja sitä halkaisijaltaan suuremman toisen putken (2), jotka liittyvät toisiinsa virtaussuuntaan nähden kohtisuoran laajennusportaan (3) välityksellä.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kemikaalivir-10 taus (Fi; F2; F3) johdetaan kuitususpensiovirtauksen joukkoon toisessa putkessa (2) laajennusporrasta (3) seuraavalla ideaalisen sekoittumisen alueella, jonka pituus (L) on korkeintaan 50 kertaa laajennusportaan (3) korkeus (h).

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kemikaalivir-15 taus (F4) johdetaan kuitususpensiovirtauksen joukkoon ensimmäisessä putkessa (1) niin lähellä laajennusporrasta (3), että lisättävät kemikaalit eivät ennätä reagoida kuitususpension kanssa ennen virtauksen joutumista laajennusportaaseen (3) .

4. Laite kemikaalin syöttämiseksi kuitususpensioon paperikoneen lyhyessä kier rossa, tunnettu siitä, että laite käsittää pyörähdyssymmetrisen putkilaajentuman, joka käsittää ensimmäisen putken (1 ;11) ja sitä halkaisijaltaan suuremman toisen putken (2; 12), jotka on liitetty toisiinsa virtaussuuntaan nähden kohtisuoran laajennusportaan (3;13) välityksellä, ja välineet kemikaalivirtauksen (Fi; F2; F3; F4) 25 johtamiseksi putkilaajentuman läpi viilaavaan kuitususpensiovirtaukseen mainitun putkilaajentuman yhteydessä.

5. Jonkin patenttivaatimuksen 4 mukainen laite, tunnettu siitä, että välineet kemikaalivirtauksen syöttämiseksi kuitususpensiovirtaukseen käsittävät joukon in-30 jektioreikiä (14) ja välineet (15-18; 17-19) kemikaalivirtauksen johtamiseksi mainittuihin injektioreikiin (14). 111397

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen laite, tunnettu siitä, että välineet kemikaali-virtauksen johtamiseksi kuitususpensiovirtaukseen käsittävät joukon injektioreikiä sovitettuna laajennusportaana toimivaan laippaan (3; 13). 5

7. Patenttivaatimuksen 5 mukainen laite, tunnettu siitä, että välineet kemikaali-virtauksen johtamiseksi kuitususpensiovirtaukseen käsittävät joukon injektioreikiä sovitettuna toisen putken (2) kehälle kohdassa, jonka etäisyys laajennusportaasta (3) on korkeintaan 50 kertaa laajennusportaan (3) korkeus (h). 10

8. Patenttivaatimuksen 5 mukainen laite, tunnettu siitä, että välineet kemikaali-virtauksen johtamiseksi kuitususpensiovirtaukseen käsittävät joukon injektioreikiä sovitettuna ensimmäisen putken (1) kehälle kohdassa, joka edeltää laajennuspor-rasta (3). 15

9. Jonkin patenttivaatimuksen 4-8 mukainen laite, tunnettu siitä, että ensimmäinen putki on perälaatikkoa edeltävän konesihdin akseptiputki (11) ja laajennusportaana toimii konesihdin akseptilaippa (13).

10. Patenttivaatimuksen 9 mukainen laite, tunnettu siitä, että konesihdin aksepti- laippaan (13) on yhdistetty kemikaalien syöttö laippa (15), joka sisältää virtaus- « kanavat (16) kemikaalivirtauksen johtamiseksi akseptilaipassa (13) oleviin injek-tioreikiin (14).

11. Jonkin patenttivaatimuksen 4-10 mukainen laite, tunnettu siitä, että toisen putken (2;12) halkaisijan (D2) suhde ensimmäisen putken (1;11) halkaisijaan (Di) . . on alueellaD2/D1 = 1,1...5,0.

, 12. Jonkin patenttivaatimuksen 4-11 mukainen laite, tunnettu siitä, että laajennu- 30 sportaan (3) korkeus (h) on vähintään 2 mm, edullisesti vähintään 50 mm. 111397